高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统及盾构盾尾刷快速更换方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种高水压超长距离越江(海)大断面液氮冻结系统及盾构隧道盾尾刷快速更换方法，属于盾构隧道加固技术领域。
【背景技术】
[0002]随着盾构施工方法在地铁、过江跨海隧道中的广泛应用，在软弱地层和水压力为
0.4MPa~0.7MPa的高承压含水层条件下，超过100m的超长距离，直径为14~16m大断面盾构施工中遇到的工程问题越来越突出，其中盾尾渗漏防治与控制及盾尾刷更换是越江跨海交通隧道工程中一个施工难点，如果盾尾漏浆严重，将导致切口水压下降，刀盘前方土体失稳，并且隧道内将大量淤积泥浆，若抽排不及时，将造成盾构机被淹没，因此，盾构在长距离连续掘进过程中，需要一个密闭的工作环境，盾尾钢丝刷和盾尾止浆板的存在，有效的隔断了盾构机与地层之间的流水通道，阻断了含水地层向盾构机内的渗漏，从而保证了盾构机的安全掘进。
[0003]盾尾密封刷一般采用多层钢丝刷，在钢丝刷间的空隙处加压注入密封油脂作为填充以增加密封效果。在实际盾构施工中密封刷的密封效果会逐渐减弱，其原因主要有以下几点:密封油脂注入量不足；盾构机调整姿态过猛；环片背部破损水泥块或其他硬质异物进入密封刷间空隙；隧道距离太长；泥水盾构停止掘进时，管片组装导致盾尾后退，造成盾尾刷与管片间发生刷毛方向相反的运动，使刷毛反卷，盾尾刷变形。
[0004]盾尾钢丝刷更换的难点在于管片拆卸后盾构尾部的密封止水，根据以往的工程实践，所采用的冻结系统及盾尾刷更换方法通常采用以下几种:
(I)注浆法
此方法通过加大盾尾同步注浆量以及改变注浆配比以加快浆液凝固等措施来加强盾尾密封止水效果，在原地层进行盾尾刷更换，注浆法存在许多不利因素，如地层不适应性、注浆帷幕的连续性差、均匀性差、注浆土体与盾构及管片的胶结缺乏柔性和韧性等，注浆封水可靠性差，在盾尾刷更换时较少使用。
[0005](2)盐水冻结
盐水冻结系统是利用盐水冻结系统使得地层冻结，然后进行盾尾刷更换。盐水冻结系统是在地面安装冷冻设备，采用氨(NH3)或氟利昂为制冷剂，将冷媒剂氯化钙(CaC12)溶液(习称盐水)冷却到-20?-30° C，用循环泵和插至冻结管深处的聚氯乙烯供液管将盐水送入冻结管，经低温盐水长时间连续地吸取管外的热量，使周围地层冻结，盐水吸取地层的热量后温度上升，在循环泵的作用下，经回路管回到冷冻设备和制冷剂接触而重新冷却，原为液态的氨或氟利昂，在减压的条件下蒸发时摄取盐水的热量后，经压缩和冷凝又使其液化，在管道内循环流动，重复使用。
[0006]但盐水冻结有以下缺点:
①盐水冻结需要建立冻结和维护制冷工序的循环系统，而该系统需建立于盾构始发端地表之上或盾构隧道内，长距离输送盐水所达到的低温不足以对土体进行冻结；
②即便将冻结站置于隧道内部，盐水冻结的周期也较长，严重影响工期(大型盾构机停机一天经济损失巨大，迫切需要节约时间)；
③很难适应过江隧道高水压超长距离等大型高风险盾构工程的应急需求。
[0007]( 3)地面建站长距离液氮冻结
地面建站长距离液氮冻结系统是将液氮储罐及槽车停在隧道始发井外，利用管路将液氮输送至隧道冻结工作面的冻结管中，经循环吸收地热量，通过集气管收集汽化氮气，再利用排气管将其排至隧道外空旷处，通常利用隧道管片直接打孔或预制管片进行冻结，此种方法较盐水冻结具有冻结系统简单、温度低、冻结速度快、稳定性好、冻土强度高等优点，且冻结加固土体形式灵活，冻结规模可以根据工程实际情况而定。
[0008]地面建站长距离液氮冻结系统适合隧道冻结工作面与隧道工作井距离不超过800m、液氮冻结工作面土层条件相对较好、隧道直径较小的工程，供液管保温措施要求严格，无法适应高水压、超长距离、土层条件复杂的工程，特别是大型高风险抢险工程。
[0009]通常盾尾刷更换采取焊接更换方法，时间较长，冻结工作面回温较快，容易引起冻结工作面渗漏，因此，如何选择一种可靠的施工方法，更好的解决高水压超长距离大断面盾构隧道盾尾刷快速更换，是亟待解决的关键问题。
【发明内容】
[0010]本发明提出的是一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统及盾构盾尾刷快速更换方法，其目的旨在满足高水压、超长距离越江(海)大断面盾构隧道中盾尾刷渗漏快速更换，其技术为在需要更换的盾尾刷工作面建立液氮冻结系统，由液氮储罐提供液氮，在罐内压力作用下，利用经过保温处理措施的供液管，液氮被强制送到串联排列的各分配器，再进入每组冻结管内吸收地层热量，再通过排气管以气态形式排放于大气中。
[0011]与地面建站长距离液氮冻结系统相比，因隧道直径较大，液氮储罐车可直接开进工作面附近，液氮达到冻结工作面的温度更低(-150°C?-160°c)，大大节约了冻结时间，通过在液氮储罐的液氮出口处增加地泵加压，工作面与隧道工作井的距离可达5.5km。
[0012]本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，其特征在于该系统包括液氮储罐1、主闸阀2、供液管3、分配器4、配液管5、冻结管6、集气管7、排气管8、测温孔9冷排管10，其中所述液氮储罐I与装有主闸阀2的供液管3连接，供液管3分两路分别与分配器4连接，每个分配器4设8~10个支路，每个支路通过配液管5与一组串联冻结管6连接，每组最后一根冻结管6与集气管7连接，通过集气管7与排气管8连接，通过排气管将汽化氮气排放至空气中，冷排管10前端与配液管5连接，末端与集气管7连接。
[0013]所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，其特征在于所述的液氮储罐I放置在液氮槽车上，液氮储罐I体积为30m3’，正常冻结期间保证隧道冻结工作面有两辆液氮槽车，液氮槽车倒车至隧道冻结工作面，液氮储罐I的出口温度控制在-160°C?_170°C，压力控制在0.5MPa?1.6MPa，通过自带车载加压泵装在液氮储罐I的液氮出口处实现加压，当压力超过0.8 MPa时，通过增加专用地泵装在液氮储罐I的液氮出口处实现加压，压力与排气管8长度成正比，排气管8长度为1.5-5.5km，压力调节可使用液氮储罐I上的主闸阀2。
[0014]所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，其特征在于所述的供液管3为内管直径108mm壁厚4_，外管直径180mm壁厚4_的真空不锈钢管，内外管夹层72_，夹层真空度小于5 \10-午&，冷量损失0.5~2.01/111，考虑盾构机及其后配套，液氮储罐1到冻结工作面的距离长度为40~50m，设2路供液管3，其前端分别与2个液氮储罐I连接，其末端分2路分别于各分配器4连接。
[0015]所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，其特征在于所述的两路供液管3上分别各装I个分配器4，每个分配器4设8~10个支路，每个支路上安装有阀门11和压力表12。
[0016]所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，其特征在于所述的配液管5 一端与分配器4上一个支路连接，另一端与一组冻结管6连接，配液管5为直径40mm壁厚4_低温不锈钢软管，采用2层Icm厚的聚乙烯保温材料外加I层密封薄膜进行包裹。
[0017]所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，其特征在于所述的冻结管6沿隧道横断面布设，冻结管6管口间距0.4-0.9m，管底间距为0.6-1.1m,管长为隧道管片13厚度W+0.4-1.2m，其中在软土地层或粉细砂土层为隧道管片13厚度W+1.0-1.2m，在卵石等难成孔地层为隧道管片13厚度W+0.6~1.0m，在裂隙岩层中为隧道管片13厚度W+0.4-0.6m，孔口间距与孔深呈反比，每3~4个冻结管6串联成I组，每组最后一个冻结管6与集气管7连接，冻结管6采用直径89mm壁厚5mm的R304不锈钢管，冻结管6进口温度控制在-150°C?-160°C，出口温度控制在_120°C?_130°C，使用分配器4上的阀门10进行流量及温度调节。
[0018]所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，其特征在于所述的集气管7沿隧道断面环形布置，采用直径127mm壁厚5mm的R304不锈钢管。
[0019]所述的一种高水压超长距离大断面隧道液氮冻结系统，其特征在于所述的排气管8为直径127_壁厚5_的R304不锈钢管，其长度为1.5-5.5km，具体长度视隧道冻结工作面到隧道出口空旷位置的距离而定，排气管8前端10m采用2层Icm厚的聚乙烯保温材料外加I层密封薄膜进行包裹。<